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Processus de formation de l’arc électrique
Les différent processus de formation de l’arc sont :
• Le passage continu des décharges non autonome aux décharges auto-entretenues.
• L’amorçage par surtension.
• L’amorçage par contact.
Passage continu des décharges non autonomes aux décharges auto-entretenues
Puisque l’arc électrique peut être défini comme une décharge à fort courant, il est possible de créer un arc entre deux électrodes en amorçant une décharge à courant faible, et en le faisant croitre progressivement.
Décharge non autonome
On sait que les gaz sont généralement de bons isolants, néanmoins, sous certaines conditions, il est possible de les faire traverser par un courant de particule chargée. On dit alors que le gaz est le siège d’une décharge.
Zone de collection avec multiplication
La valeur du courant de saturation est étroitement dépendante des conditions expérimentales. En moyenne, elle peut être voisine de 10−10 A. si on continu de faire croitre la tension, un phénomène nouveau apparait. Les électrons accélérés dans le champ interélectrodes acquièrent une énergie suffisante pour ioniser les atomes ou molécules du gaz de remplissage. Ils créent ainsi de nouveaux électrons qui sont, à leur tour accéléré, et peuvent ioniser d’autres atomes ou molécules. C’est une avalanche qui entraîne une augmentation extrêmement rapide du courant. Supposons que le champ est constant entre les deux électrodes (figure2), et que la pression est suffisante pour que le libre parcours moyen des électrons soit petit devant la distance interélectrode d. Dans ces conditions, pour une tension appliquée V, les électrons se déplacent avec une vitesse moyenne d’entrainement qui est une fonction du rapport E/P (Champ électrique/pression). Le flux d’électrons passant par le plan d’abscisse x est donc :
• densité de courant électrique .
• charge d’électron .
• ( ) densité numérique de charges à l’abscisse.
Amorçage par surtension
Lorsque la tension appliquée dépasse une valeur critique appelée tension disruptive (ou tension de claquage) une décharge s’amorce entre les électrodes. Si la source ne limite pas le courant, cette décharge dégénère en arc de façon irréversible.
Courbe de Paschen
Une décharge peut s’amorcer dans un champ électrique à condition de produire des électrons libres (dits électrons primaires, ou électrons germes). Ces électrons sont créés en permanence dans l’air atmosphérique par les rayons cosmiques ou par la radioactivité naturelle au nombre de 10 à 20 par 3 et par seconde. Cependant, pour que la décharge se développe, la tension entre électrodes doit atteindre la tension d’amorçage (que l’on ne différencie généralement pas de la tension disruptive , sauf dans le cas de la décharge couronne).la loi de Paschen donne la relation entre , la pression p, et la distance interélectrodes d.
Le champ électrique E étant supposé uniforme, on a : = /d. (1.9).
La condition d’auto entretien relie donc et pd et on a : = f(pd) (1.10).
Mécanisme de l’amorçage
Lorsque les électrons primaires sont créés, et lorsque la tension appliquée atteint ou dépasse , le mécanisme de multiplication s’amorce et se développe.
Il convient cependant de distinguer les mécanismes qui apparaissent, selon que la surtension par rapport à est faible ou forte.
Aux faibles surtensions, les électrons primaires donnent naissance à des avalanches successives sous l’action de l’effet photo-électrique. L’émission ultraviolette, qui provoque l’émission cathodique d’électron, s’accroit exponentiellement avec le développement de chaque avalanche. La surtension étant faible, le courant devrait se stabiliser. Cependant, en raison de la présence de la charge d’espace, le courant continue de croitre jusqu’à la formation de l’arc.
Aux fortes surtensions, apparait une seule impulsion qui est suivie d’un accroissement rapide du courant en raison de l’influence de la charge d’espace. Le temps d’apparition de l’arc est de l’ordre de la centaine de nanosecondes après la formation de la charge d’espace.
Cas particulier : la foudre
Entre la stratosphère chargée positivement et la terre chargée négativement, il existe une différence de potentiel comprise entre 200 et 400 kV, qui crée, par beau temps, un champ électrique d’environ 100 V. −1 au niveau du sol.
Les nuages orageux, dont la base est chargée négativement, inversent et renforcent considérablement ce champ dont l’intensité peut atteindre des valeurs supérieures à 15 kV. −1. Ce champ est encore renforcé par « effet de pointe »au voisinage de toute aspérité à l’extrémité de laquelle peuvent se produire des décharges couronnes, les fameux feux de Saint-Elme qui se formaient en particulier à l’extrémité des mats et impressionnaient les navigateurs.
Amorçage par contact
Si l’on sépare deux contacts initialement parcourus par un courant, la conduction est maintenue par une décharge électrique qui s’amorce dans l’espace interélectrode. Par exemple, dans les disjoncteurs, l’arc de puissance créer au moment de l’ouverture du circuit est très destructeur et doit être éteint rapidement.
Généralités sur les contacts et les circuits associées
Lorsque deux électrodes sont mises en contact, elles ne prennent pas appui sur la totalité des surfaces en regard. Seules les aspérités et irrégularités de la surface constituent les zones d’appui.
Les lignes de courant se concentrent ainsi en un très petit nombre de contacts jusqu’à atteindre une surface unique au moment de l’ouverture. Par ailleurs, le circuit dans lequel est inséré ce contact présente toujours une certaine inductance qui va provoquer une surtension au moment de la séparation des électrodes.
Applications des arcs électriques
Les applications liées de près ou de loin aux arcs électriques sont nombreuses. Certaines sont reconnues et industrialisées depuis longtemps, d’autres ne sont encore que des idées ou projets scientifiques. Il existe un très grand nombre d’applications et d’études des arcs électriques portant sur la fiabilité de systèmes et leurs comportements face aux décharges électriques (disjoncteurs, interrupteur, etc.…), mais également des études concernant les phénomènes d’éclairs naturels en météorologie, médecine, et également en électronique de puissance pour les aspects CEM.
Nous allons brièvement présenter certaines de ces applications.
Lampe à arc
Les lampes à arc créent de la lumière en faisant jaillir une étincelle qui passe d’une électrode à l’autre. Cette lumière brille bien plus que toutes les sources d’illumination jamais inventées auparavant.
Aujourd’hui, le développement et la fabrication de lampes à décharge d’arc sont destinés à des applications industrielles précises telles que le pompage lasers, la photographie moyenne et forte puissance, la médecine, les simulations solaires, les feux anticollisions pour l’aéronautique… On retrouve également les lampes à arc dans le domaine grand public pour des applications d’éclairage permettant d’atteindre de haut rendement.
Par exemple les lampes à ballon fluorescent (improprement appelés tubes néons), les lampes aux halogénures métalliques (éclairage blanc des stades), les lampes au Xénon (certains phares d’automobile, les projecteurs de cinéma).
Four à arc
Le premier à avoir mis en avant l’application des arcs électriques pour le chauffage à haute température est Henri Moissan en 1892 réalisant un four permettant d’atteindre jusqu’à 3500°C. Il isolera ainsi plusieurs métaux et mettra au point la fabrication de plusieurs composés tels que les carbures.
Au début du XXième siècle sont apparus les premiers fours à arc industriels destiné à fondre un métal primaire (généralement ferraille) pour obtenir un acier. Depuis cette époque, bien que reposant sur les mêmes principes de base, les fours à arc ont connu un développement important aussi bien du point de vue technologique que du point de vue capacité de production. En effet, la capacité des fours modernes augmente avec une consommation énergétique comprise entre 400 et 500 kWh.
Soudure à arc
Le soudage à l’arc électrique est le plus connu des procédés de soudure. Il existe différentes méthodes de soudage électrique (électrodes enrobées, électrode non-fusible, électrode fusible). La plus utilisée est le soudage à arc électrique avec électrode enrobée. Lorsqu’on approche l’électrode enrobée des pièces à assembler, il se crée un arc électrique qui dégage un fort pouvoir calorique qui provoque la fusion de l’électrode
Bougies d’allumage
La bougie d’allumage est l’élément qui crée l’étincelle dans le cylindre pour permettre l’explosion du carburant dans le moteur dit « à explosion » (utilisé dans nos motos et voitures actuelles).
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Table des matières
PARTIE I : GENERALITES SUR L’ARC
CHAPITRE I – AMORÇAGE ET STRUCTURE DE LA DECHARGE D’ARC
Généralités sur les plasmas
Processus de formation de l’arc électrique
Passage continu des décharges non autonomes aux décharges auto-entretenues
Amorçage par surtension
Amorçage par contact
Applications des arcs électriques
Lampe à arc
Four à arc
Soudure à arc
Bougies d’allumage
Appareils de coupure
CHAPITRE II – PHENOMENES AUX ELECTRODES
L’émission thermoélectrique ou thermo-ionique :
L’émission par effet de champ :
L’émission thermoélectronique à effet de champ :
La zone anodique
Bilan d’énergie aux électrodes
CHAPITRE III – ARC DANS LE VIDE
La région cathodique
La structure interne de la tache cathodique
Le plasma du spot au début de la décharge
Le mouvement de la tache cathodique
L’érosion de la cathode
PARTIE II : MATERIELS ET METHODES
CHAPITRE IV – PRESENTATION DES MATERIELS UTILISES ET LEUR MISE EN OEUVRE .
Constitution générale
Valeur efficace de la force électromotrice au secondaire
Rapport de transformation
Le moteur pas à pas
Définition et caractéristique
Les différents moteurs pas à pas et leur fonctionnement
L’ARDUINO
Définition
Description du matériel
Modèle UNO
Microcontrôleur ATMEL ATMega328
Manipulation de l’Arduino
Pilote du moteur pas à pas
Capteur ultra son
Le capteur HC-SR04
Principe de fonctionnement du capteur
L’analyseur Fluke
Présentation
Avantages
Appareil de mesure de la température
Présentation
Commande
PARTIE III : INTERPRETATIONS ET RESULTATS EXPERIMENTAUX
CHAPITRE V – RESULTATS ET INTERPRETATION
Mesure du courant d’arc
Présentation de l’essai
U = 120V
U = 125V
U = 130V
U = 135V
U = 140V
U = 145V
U = 150V
U = 155V
U = 160V
U = 170V
Interprétations
Corrélation entre P, Q et S
Tension variable, comportement de T et I (max, min)
Champ électrique
Force de Lorentz
Force de Laplace
Fluctuation de l’arc en fonction de I
Bruit d’arc
Arc à caractère réactive ou non
Taux d’harmonique de l’arc
Stabilité de l’arc
Création de l’arc
Thermo-électricité
L’effet Seebeck
L’effet Peltier
Effet Thomson
CONCLUSION
ANNEXE
BIBLIOGRAPHIE
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